2. 电机控制基础与SAM外设映射

在SAM系列MCU上做电机控制，第一步不是写代码，而是把“电机怎么转”翻译成“外设怎么动”。直流电机、步进电机、BLDC和PMSM这四类负载，对电流、换相、位置反馈的需求差异很大，而SAM的PWM、ADC、定时器/计数器（TC）、比较器（AC）等外设，正是把这些需求落到寄存器层面的桥梁。理解它们之间的映射关系，才能避免“PWM频率设错导致电机啸叫”“ADC采样时刻不对导致电流环震荡”这类典型问题。

四类电机的工作原理与外设需求

直流电机（有刷）最简单：给电枢两端加电压，电流通过换向器和电刷自动换向，转矩近似与电流成正比，转速近似与电压成正比。控制上只需要一路PWM驱动H桥，通过占空比调压调速，再配合一个GPIO控制方向。它对定时器的要求是频率适中（通常10~20 kHz，避开人耳可听范围），死区时间要防止H桥上下管直通。

步进电机把电脉冲变成固定角位移，每来一个脉冲走一个步距角。两相双极步进常用两路PWM加两路方向信号，或者用四路PWM做微步细分。关键参数是脉冲频率决定转速、脉冲总数决定位置。SAM的TC可以工作在匹配模式产生精确脉冲，PWM模块则适合生成带死区的互补驱动。

BLDC（无刷直流）本质是“电子换向的直流电机”，反电动势为梯形波。任意时刻只有两相通电，第三相悬空，每60°电角度换相一次。它需要三路PWM（六步换相）、三路霍尔输入或反电动势过零检测，以及ADC采样母线电流。换相时刻由霍尔状态或过零点决定，因此TC的捕获功能和AC的比较功能非常关键。

PMSM（永磁同步电机）反电动势为正弦波，需要三相正弦电流。控制上采用FOC（磁场定向控制）：用Clarke/Park变换把三相电流变成d-q轴直流量，d轴电流控为0，q轴电流控转矩。这要求三路互补PWM带死区、至少两路同步ADC采样相电流、以及高频定时器触发采样。SAM的PWM模块支持中心对齐模式和硬件触发ADC，正是为FOC准备的。

SAM外设在电机控制中的角色与配置要点

PWM模块是电机控制的“执行手”。SAM的PWM支持中心对齐和边沿对齐两种模式。中心对齐时，计数器先增后减，PWM在周期中心对称，谐波更小，适合FOC和低噪声场合；边沿对齐实现简单，适合直流电机调速。配置时先确定PWM频率：若系统时钟48 MHz，目标频率16 kHz，则周期寄存器值 = 48M / 16k = 3000。死区时间根据MOSFET开关时间和驱动延迟设定，典型值200~500 ns。互补输出必须使能死区，否则上下管直通会烧毁功率级。

TC定时器承担“时间基准”和“脉冲发生”双重角色。在步进电机中，TC工作在匹配模式，比较值决定脉冲周期，每次匹配翻转输出引脚并产生中断，中断里更新下一步的相位。在BLDC中，TC的捕获通道接霍尔信号，捕获值之差就是换相间隔，据此计算转速。在FOC中，TC提供高频中断触发电流环计算，典型频率10~20 kHz，与PWM载波同步。

ADC是电流环的“眼睛”。FOC需要同时采样至少两相电流，SAM的ADC支持多通道扫描和硬件触发。关键配置是触发源选择PWM事件，采样时刻放在PWM周期的中心点——此时开关噪声最小，采样值最稳定。若在PWM边沿采样，开关瞬间的振铃会污染结果。ADC分辨率12位，参考电压3.3 V时，1 LSB约0.8 mV，配合采样电阻和运放增益，可分辨安培级电流。

AC模拟比较器用于快速保护和过零检测。BLDC的反电动势过零检测中，悬空相电压与母线中点比较，AC输出翻转即过零点，触发TC捕获记录时刻。过流保护中，采样电阻电压与阈值比较，一旦超限立即关断PWM输出，响应时间可做到微秒级，比软件中断快得多。

配置示例：BLDC六步换相的关键参数

以SAM C21为例，假设系统时钟48 MHz，目标转速3000 rpm，电机4对极，霍尔换相频率 = 3000/60 × 4 × 6 = 1200 Hz。PWM频率设为20 kHz，周期值 = 48M/20k = 2400。死区时间设为300 ns，对应计数值 = 48M × 300n ≈ 14。ADC触发点设在PWM周期中心，即计数值1200处。TC捕获霍尔信号，捕获中断中读取计数值并计算换相间隔，若间隔异常则判定堵转。

把电机类型和外设角色对应清楚后，下一步就是具体寄存器配置和代码实现。记住一个原则：先确定控制环的采样频率和PWM频率，再反推定时器周期和ADC触发时刻，最后配置保护逻辑。顺序反了，调试时会非常被动。